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        直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)非線性控制策略

        2015-06-01 10:14:57席云李嘯驄鹿建成黃維黃承喜查中魁
        電氣開關(guān) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)能風(fēng)力永磁

        席云,李嘯驄,鹿建成,黃維,黃承喜,查中魁

        (廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)

        直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)非線性控制策略

        席云,李嘯驄,鹿建成,黃維,黃承喜,查中魁

        (廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)

        針對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)的多種控制要求,基于永磁同步發(fā)電機(jī)的損耗模型,建立了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型,并運(yùn)用反饋線性化理論提出了多目標(biāo)非線性控制策略。利用該策略在機(jī)側(cè)實(shí)現(xiàn)了低于額定風(fēng)速情況以下的最大風(fēng)能捕獲,并且調(diào)節(jié)有功直軸電流使其系統(tǒng)損耗最??;同時(shí)在網(wǎng)側(cè)穩(wěn)定直流母線電壓和調(diào)節(jié)無功電流,滿足了系統(tǒng)在正常狀況下以單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行的要求;而在電壓跌落期間,能迅速提供無功電流,有利于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定與恢復(fù),具備一定的低電壓穿越能力。仿真結(jié)果表明,所提出控制策略是有效而實(shí)用的,不僅兼顧了風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行要求,而且提高了系統(tǒng)的效率。

        直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);損耗;最大風(fēng)能捕獲;反饋線性化;非線性控制

        1 引言

        隨著煤炭資源的匱乏和環(huán)境惡化給人們帶來的生存壓力與日俱增,可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已經(jīng)被納入世界各國(guó)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃當(dāng)中,而開發(fā)再生能源作為實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要途徑之一,越來越受到廣泛關(guān)注。風(fēng)能是一種清潔的可再生能源,因其產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)好,經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)等明顯優(yōu)點(diǎn),必將成為今后新能源發(fā)展的主流[1-2]。風(fēng)電并網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能大規(guī)模利用的必要前提,其控制技術(shù)也一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。目前主流的變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng),除了要求定子輸出電流與電網(wǎng)頻率保持恒定外,一般還需要滿足以下要求:(1)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲;(2)有效穩(wěn)定直流母線電壓;(3)靈活調(diào)節(jié)無功功率;(4)具備低電壓穿越能力。而近幾年我國(guó)在相關(guān)方面的研究也取得了豐碩的成果[3-9]。

        反饋線性化控制技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,在解決多變量非線性耦合的風(fēng)電系統(tǒng)的解耦控制方面突顯其優(yōu)越性,使系統(tǒng)在適應(yīng)性、魯棒性和控制性能等方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn),這是傳統(tǒng)方法所難以達(dá)到的。文獻(xiàn)[10]利用反饋線性化,提出了一種同時(shí)考慮槳距角和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)的新型恒功率控制策略;文獻(xiàn)[11]采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)d-q軸電壓分量為輸入量,運(yùn)用反饋線性化理論設(shè)計(jì)了非線性控制器,在實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的同時(shí),使系統(tǒng)銅耗最??;文獻(xiàn)[12]推導(dǎo)了直驅(qū)永磁風(fēng)力機(jī)的仿射性非線性模型,采用微分幾何方法實(shí)現(xiàn)精確線性化,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)非線性控制器,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。但在上述學(xué)術(shù)論文中,大多數(shù)偏重利用風(fēng)電機(jī)機(jī)端某些指定的輸出量做為控制量,實(shí)現(xiàn)的功能指標(biāo)有限,往往無法滿足整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)的實(shí)際需求。

        隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展,直驅(qū)永磁風(fēng)力機(jī)因其具有能量轉(zhuǎn)換效率高,系統(tǒng)可靠性高,并網(wǎng)功率控制靈活等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為了風(fēng)電系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。本文以一種考慮損耗的較精確的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究目標(biāo),基于微分幾何反饋線性化理論,提出了一種多目標(biāo)非線性控制策略,它通過對(duì)雙PWM變換器的相位幅值協(xié)調(diào)控制,不僅兼顧了風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)的各種控制要求,而且有效提高了系統(tǒng)效率,通過仿真結(jié)果表明了該控制器在應(yīng)用中的可行性和有效性。

        2 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)理模型

        直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)、雙PWM整流逆變裝置系統(tǒng)組成,基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

        圖1 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

        2.1 風(fēng)力機(jī)模型

        根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué),風(fēng)力機(jī)可實(shí)際轉(zhuǎn)化的能量為:

        (1)

        式中,ρ表示空氣密度;R表示風(fēng)力機(jī)葉輪半徑;v為通過風(fēng)輪的風(fēng)速;Cp(λ,β)為風(fēng)能利用系數(shù),是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù);葉尖速比λ為風(fēng)輪葉尖線速度ωR與風(fēng)速v之比,即λ=ωR/v,ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。

        風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力矩為:

        (2)

        在額定風(fēng)速以下時(shí),β為0,Cp(λ,β)僅與λ相關(guān),因此只需調(diào)節(jié)ω,使得λ保持在最佳值λopt,則可使得Cp維持在最大值Cpmax,從而使得風(fēng)力機(jī)工作在最佳功率點(diǎn),其發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的最佳值為:

        (3)

        2.2 PMSG的損耗模型

        發(fā)電機(jī)的損耗包括機(jī)械損耗和電氣損耗兩部分,機(jī)械損耗隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化,無法準(zhǔn)確模擬且占總損耗比例較小,電氣損耗主要包括其銅耗和鐵耗,其中鐵耗的生成可用一個(gè)與定、轉(zhuǎn)子耦合的第三繞組模擬,繞組電阻即為等效鐵耗電阻[13],為更能體現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的真實(shí)情況,建立了考慮損耗的PMSG數(shù)學(xué)模型,其d-q等效電路如圖2所示。

        圖2 永磁同步電機(jī)d-q軸等效電路

        根據(jù)圖2,按照電動(dòng)機(jī)慣例,PMSG在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電壓方程為:

        (4)

        磁鏈方程為:

        (5)

        式中,Umd、Umq為定子電壓d-q軸分量;Idm、Iqm為d-q軸有功電流分量;Idfe、Iqfe為d-q軸等效鐵耗電流分量;φd、φq為d-q軸磁鏈分量;Rm為定子繞組電阻;Lmd、Lmq為d-q軸同步電感;Rfe為等效鐵耗電阻;ωm為轉(zhuǎn)子電角速度,與轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度的關(guān)系為ωm=Pnω;Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù);φf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈。

        由式(4),(5)可得:

        (6)

        電磁轉(zhuǎn)矩方程為:

        (7)

        轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為:

        (8)

        式中,J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣性;F為阻尼系數(shù),本文中忽略阻尼損耗,F(xiàn)=0。

        2.3 雙PWM整流逆變系統(tǒng)模型

        雙PWM整流逆變系統(tǒng)分為機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器兩部分,機(jī)側(cè)變流器主要作用為將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電量進(jìn)行整定,其通常工作在整流狀態(tài);網(wǎng)側(cè)變流器工作在逆變狀態(tài),將直流側(cè)傳遞過來的能量傳遞給電網(wǎng)。設(shè)m,n,θm,θn分別為兩側(cè)變換器的脈寬調(diào)制比與相角調(diào)制量,則兩側(cè)變換器在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為:

        (9)

        2.4 直流穩(wěn)壓電路模型

        由圖1可得其直流側(cè)電壓電流方程為:

        (10)

        式中,Udc為直流側(cè)電容電壓;Cdc為直流側(cè)電容;Rmdc,Rndc,Lmdc,Lndc分別為直流側(cè)電容兩端的電阻和電感;Imdc,Indc分別為直流側(cè)電容兩端的電流。

        利用交-直-交變換電路的功率平衡關(guān)系,由式(10)可得:

        (11)

        式中,Pm為機(jī)側(cè)整流器的輸入功率,即電機(jī)的有功功率;Pn為為網(wǎng)側(cè)逆變器的輸出功率。

        2.5 并入電網(wǎng)模型

        采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù),取d軸與電網(wǎng)a相電壓矢量重合,q軸超前d 軸90°電角度,即給定矢量控制約束條件為:

        (12)

        則d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為:

        (13)

        式中,Rg為考慮其變壓器和濾波設(shè)備的線路等效電阻;Lg為電網(wǎng)電感;ωg為電網(wǎng)頻率。

        為了簡(jiǎn)化控制律的求取過程,設(shè)U1=msinθm;U2=-mcosθm;U3=nsinθn;U4=-ncosθn,定義U1,U2,U3,U4為新的控制量,且忽略直流線路損耗、元器件功率損耗,即Udc=Umdc=Undc,而對(duì)于表貼式結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)無阻尼繞組Lmd=Lmq=Lm,當(dāng)Lm很小時(shí),電機(jī)的定子輸出電流可近似為其有功電流。

        綜上所述,由式(6),(8),(11),(13)可以將直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型歸納為:

        (14)

        3 非線性控制器設(shè)計(jì)

        考慮如下非線性仿射控制系統(tǒng)[15]:

        (15)

        式中,x∈Rn為狀態(tài)量,f(x)=[f1(x)…fn(x)]T∈Rn、gj(x)=[g1j(x)…gnj(x)]T∈Rn為光滑向量,u1…um為控制標(biāo)量;h1(x)…h(huán)m(x)為輸出函數(shù);y1…ym為輸出標(biāo)量。

        由系統(tǒng)式(14)可知,該系統(tǒng)有4個(gè)控制量分別為U1,U2,U3,U4,根據(jù)基于微分幾何的狀態(tài)反饋線性化理論,應(yīng)選擇4個(gè)輸出函數(shù)。針對(duì)機(jī)側(cè)整流器,首先,為了實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉,需要控制風(fēng)力機(jī)使其跟蹤最優(yōu)轉(zhuǎn)速運(yùn)行,由式(3)可選取輸出函數(shù)h1(x)=Δω=ω-ωopt。其次,在滿足最大風(fēng)能捕捉的同時(shí),還希望發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵耗和銅耗盡可能小,針對(duì)損耗最小這一目標(biāo),當(dāng)電機(jī)定子側(cè)有功直軸電流為:

        (16)

        可使永磁發(fā)電機(jī)損耗最小[16],因此,選擇另一輸出函數(shù)h2(x)=ΔIdm=Idm-Idm-opt。

        對(duì)于網(wǎng)側(cè)逆變器的控制要求,首先,為了保證從發(fā)電機(jī)側(cè)捕獲的有功功率可以傳遞到網(wǎng)側(cè),必須維持直流電容電壓在恒定值附近變化,則輸出函數(shù)選取h3(x)=ΔUdc=Udc-UdcN。另外,根據(jù)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)需要,實(shí)現(xiàn)恒定功率因數(shù)輸出,控制網(wǎng)側(cè)無功功率為零,來實(shí)現(xiàn)有功功率最大化,并且希望當(dāng)電網(wǎng)故障引起電壓的大幅跌落時(shí),系統(tǒng)能夠向電網(wǎng)注入無功電流來支撐電網(wǎng)電壓,具備一定的低電壓穿越能力。為了實(shí)現(xiàn)上述要求,輸出函數(shù)選取為h4(x)=ΔInq=Inq-Inq-ref。

        本文以我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求作為系統(tǒng)注入電網(wǎng)的參考動(dòng)態(tài)無功電流[17],其幅值可表示為:

        Inq-ref=2×(0.9-Ugf)InN

        (17)

        式中,InN為網(wǎng)側(cè)額定電流;Ugf為故障期間機(jī)組出口電壓標(biāo)幺值。

        即輸出函數(shù)對(duì)式(14)的相對(duì)階r=2+1+1+1<6,故該系統(tǒng)可變換成部分精確線性化系統(tǒng),因此需要另外尋找1個(gè)光滑函數(shù)η(x)滿足等式Lgjη(x)=0,才能構(gòu)成非線性變換。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn):

        LgjΔλ = [0 0 1 0 0 0].gj(x) = 0

        于是可以選取如下非線性變換:

        (18)

        采用式(18)即可將x空間的式(15)變成z空間的布魯諾夫斯基第二標(biāo)準(zhǔn)型:

        (19)

        相應(yīng)的非線性控制律u求由式(20)取得:

        (20)

        式中,v=[-k1z1-k2z2-k3z3-k4z4-k5z5]T,

        3 仿真分析

        為驗(yàn)證控制律的有效性,在MATLAB/Simulink下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)定如下:R=36m,ρ=1.225kg/m3,φf=10Wb,Pn=40,J=15000kg/m2,Rm=0.08Ω,Rfe=28.6Ω,Lm=1.95mH,Rg=0.07Ω,Lg=1mH,Cdc=100uF,Rpwm=0.01/6Ω,PN=2.5MW,UdcN=1100V,Ug=690V。

        仿真中風(fēng)速的變化曲線如圖(3)所示。圖(4)顯示了在圖(3)給定的風(fēng)速變化情況下非線性控制策略能有效地實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大風(fēng)能捕獲。圖(5)表明,風(fēng)能利用系數(shù)穩(wěn)定在最佳值,偏差值較小,該策略具有非??焖俚膭?dòng)態(tài)響應(yīng)速度。由式(16)可知,電機(jī)的有功直軸電流與其轉(zhuǎn)速相關(guān),當(dāng)轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化時(shí),如圖(5)所示,該策略通過調(diào)節(jié)有功直軸電流使得系統(tǒng)的損耗降低,相比于零d軸電流控制,效率更高。

        圖3 風(fēng)速

        為了保證從發(fā)電機(jī)側(cè)捕獲的有功功率可以傳遞到網(wǎng)側(cè),如圖(7)所示,直流母線電壓穩(wěn)定在一個(gè)恒定值附近,并且擾動(dòng)幅值很小。如圖(8),(9)所示,控制器實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行,維持和電網(wǎng)的零無功功率交換。

        圖4 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速

        圖5 風(fēng)能利用系數(shù)

        圖6 有功直軸電流

        圖8 注入電網(wǎng)的無功電流

        圖9 注入電網(wǎng)的有功功率

        當(dāng)機(jī)端發(fā)生三相對(duì)稱電壓跌落故障時(shí),故障期間電網(wǎng)電壓由690V跌落至345V,跌落深度為50%,持續(xù)625ms后恢復(fù)到額定值,網(wǎng)側(cè)根據(jù)電壓跌落深度,迅速向電網(wǎng)注入持續(xù),穩(wěn)定的無功電流,并且直側(cè)電壓維持在正常范圍以內(nèi),仿真結(jié)果見圖(10)。

        圖10 電網(wǎng)電壓跌落時(shí)系統(tǒng)各變量波形

        5 小結(jié)

        本文以考慮損耗的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究目標(biāo),基于反饋線性化理論,提出了多目標(biāo)非線性控制策略,該策略在機(jī)側(cè)實(shí)現(xiàn)了低于額定風(fēng)速以下的最大風(fēng)能捕獲,并且通過調(diào)節(jié)有功直軸電流使其系統(tǒng)損耗最小;同時(shí)在網(wǎng)側(cè)通過穩(wěn)定直流母線電壓和調(diào)節(jié)無功電流,滿足了系統(tǒng)以單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行的要求;并且在電壓跌落期間,能迅速提供無功電流,有利于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定與恢復(fù),具備一定的低電壓穿越能力。仿真結(jié)果表明了所提出的控制策略的正確性和有效性。

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        Nonlinear Control Strategy of Direct-drive Permanent Magnet Wind Power System

        XIYun,LIXiao-cong,LUJian-cheng,HUANGWei,HUANGCheng-xi,ZHAZhong-kui

        (College of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

        For various control requirements of wind power system into grid,based on the loss model of permanent magnet synch- ronous generator,we established a nonlinear mathematical model of direct-drive permanent magnet wind power system,and utilized the feedback linearization theory to design a multi-objective nonlinear control strategy.Used this strategy,we also let the maximum wind energy captured under the rated wind speed,and minimized system loss through adjusting the active direct axis current beside the machine;Meanwhile,to satisfy the requirement that system operated in parallel with the unit power factor in normal condition,the DC bus voltage need to be stabilized and reactive current have to be regulated on the side network;and during the voltage sags,it can quickly provide the reactive current,which is an advantage to the grid voltage stability and recovery,so that it possesses the capability of low voltage ride-through.Simulation results show the correctness and the effectiveness of the proposed control strategy,it can provide both the actual operation requirements of wind power system into grid,and improve the efficiency of the system.This work is supported by National Natural Science Foundation of China(No.51267001) and by Guangxi Natural Science Foundation of China(No.0728027).

        direct-drive permanent magnet wind power system;loss;maximum wind energy capture;feedback linearization;non-linear control

        國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51267001); 廣西科學(xué)基金資助項(xiàng)目(桂科自0728027); 南寧市市??萍己献鲗m?xiàng)項(xiàng)目(200801029D); 北海市市??萍己献鲗m?xiàng)項(xiàng)目(北科合200801027)。

        1004-289X(2015)03-0015-06

        TM71

        B

        2014-04-15

        席云(1988-),男,通信作者,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制; 李嘯驄(1959-),男,工學(xué)博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真及計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制,電力系統(tǒng)分析與控制(電力系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、電力系統(tǒng)非線性控制、電力系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制),農(nóng)業(yè)工程自動(dòng)化。

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